CN102142131A - 基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统。其中，数字图像水印嵌入方法包括如下步骤：通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；基于人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。本发明采用非级联迭代加密方法，增强了相息图水印的安全性；同时，采用自适应嵌入算法，实现了盲水印；实验证明本发明对抗各类攻击具有很高的鲁棒性，同时安全性能极佳。

Description

基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统

技术领域

本发明涉及数字图像水印技术，尤其涉及一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统。

背景技术

网络技术以及通信技术的高速发展为人们在网络上传递和交换各种信息提供了便利，但同时也给不法分子获取和传播数字产品提供了更为便利的渠道。因此，保护数字产品版权以及防止盗版已经成为数字产品和网络应用面临的严峻问题之一。数字图像水印技术是一种在载体图像中隐藏携带有知识产权信息等内容的水印信息，通过水印提取和检测技术恢复版权信息，达到保护数字版权的目的。为了实际应用的需要，要求数字水印具有良好的鲁棒性，以抵抗各种有意的或是无意的攻击。

数字水印一般分为可感知的水印和不可感知的水印。可感知的水印一般选用比较淡或者半透明的图案嵌入到载体图像中，以证明载体图像的归属信息和版权信息，同时又不影响对载体图像的观赏，从而防止非法的商业用途。不可感知的水印主要用来保护版权。和可感知的水印相反，不可感知的水印一般从表面上是察觉不出来的。虽然它在传播的过程中，无法避免非法复制和传播；但是，产品所有者可以通过水印提取的方法，从载体图像中提取能证明产品版权的信息，以证明产品的所有权，防止版权纠纷。不可感知水印是应 用比较广的水印方案，其最重要的特性就是既要保持水印的不可感知性，又要保持图像的鲁棒性来抗击各种攻击。

一般而言，数字图像水印的嵌入和提取的流程如图1和图2所示。在提取过程中，如果需要原图，则称为非盲水印；如果不需要原图来提取，则称为盲水印。相对而言，盲水印更有实际应用价值。

一个数字水印方案一般综合利用图像处理、信号处理、密码学、数字通信等领域的技术为基础，而形成不同的水印算法。从嵌入域来看，数字水印的嵌入算法一般分为空间域和变换域。空间域数字水印是一种改变载体图像像素信息，将数字水印信息直接加入到载体图像中的数字水印方法。变换域数字水印是一种基于图像的变换域(如离散余弦变换(DCT)、离散小波变换(DWT)、离散傅里叶变换(DFT)等)，嵌入水印信息。变换域方法一般相对于空间域嵌入水印方法而言，复杂性较高，但是具有更强的鲁棒性，能够抗击更多的恶意攻击。

现有的各种技术能够抗击各种噪声、滤波、压缩以及各种几何攻击等等恶意攻击。比如，基于分块DCT域的水印方案，在中频系数中嵌入水印信息，来抗击有损压缩和低通滤波；基于DWT变换的水印方案，将水印信息嵌入到HH，HL和LH等细节子图的有较大值的系数上，来抗击JPEG2000等压缩攻击；基于DFT变换的幅值对RST(旋转(rotation)、比例缩放(scale)、平移(translation))操作的不变性，产生了一种Mellin-Fourier变换，来有效的抗击几何攻击等等。

然而，现有的大多数水印方案虽然能够抗击各种类型的攻击，但是对于某一种类型的攻击鲁棒性并不强，如抗强裁剪攻击的能力较弱，或者不能抗击强裁剪攻击。而在实际的传播过程中，传播的图像可能受到裁剪、遮挡以及污染等无意或者有意攻击。如果在受 到这些攻击后，不能提取出原来的水印信息，或者提取出来的水印信息不清晰，必然会影响到版权纠纷问题。

发明内容

本发明提供一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统，以增强水印抵抗各种攻击的鲁棒性。

一方面，本发明公开了一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法，包括如下步骤：水印生成步骤，通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；水印嵌入步骤，基于人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述水印生成步骤进一步包括：频域信息修改步骤、收敛的物函数获取步骤和量化步骤。其中，频域信息修改步骤，在用于表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使所述像函数平面的幅度谱为常数，保留的所述像函数的相位谱，获取修改后的频域信息；收敛的物函数获取步骤，对所述修改后的频域信息进行RFrFT的逆变换，得到空间域信息；确定收敛条件，比较所述空间域信息中的数据与原始水印图像的信息，判断是否收敛；若收敛，则所述空间于信息为满足收敛条件的物函数；若不收敛，则令所述空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅，然后，再进行RFrFT变换，获取新空间域信息；如此迭代循环，直至与原始水印图像的信息进行比较时，新空间域信息中数据的振幅满足收敛条件，此时新空间域信息为满足收敛条件的物函数；量化步骤，获取所述满足收敛条件的物函数所对应的相位谱函数，将所述相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，所述灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

上述数字图像水印嵌入方法，优选所述水印嵌入步骤进一步包括划分步骤、系数块划分及系数选择步骤、嵌入步骤和逆离散小波变换步骤。其中，划分步骤，对载体图像进行二级小波分解，获取包括LH2、HL2、LH1和HL1的四个子带；系数块划分及系数选择步骤，在每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在所述3×3的块中心块嵌入水印信息，所述中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值；嵌入步骤，基于所述系数块划分及系数选择步骤获取的结果，通过迭代算法，将所述原始水印图像加密后的相息图嵌入子带的中心块中，获得修改后图像的小波系数，所述修改后的小波系数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.,$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为所述3×3的块中，中心块所对应的中心点的小波系数值，A_i为所述3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心块所对应的中心点的小波系数值，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200；逆离散小波变换步骤，对所述修改后图像的小波系数进行逆离散小波变换，得到嵌入水印后的图像。

另一方面，本发明还公开了一种上述基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法对应的水印提取方法，包括如下步骤：系数块提取步骤，对所述嵌入水印后的图像进行小波分解，提取系数块；水印像素点值确定步骤，依据

$K_i^{\′}=\frac{\left|C_i\right|-\left|A_i\right|+m_i\·\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\γ}}_i}$

计算所述提取的系数块所嵌入的水印值，提取该水印值作为像素点值K′_i；组合步骤，对提取的所述像素点值K′_i进行重新组合，得到了提取出的相息水印函数K′(u，v)，u和v分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值；再现步骤，提取出来的相息水印K′(u，v)作为e的相位，进行RFrFT逆变换，获取再现的原始水印图像。

上述数字图像水印提取方法，优选所述再现步骤中，依据如下公式获取再现的原始水印图像：

其中，W′(x，y)为所述再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为为RFrFT的分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥。

另一方面，本发明还公开了一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统，包括：水印生成模块和水印嵌入模块。水印生成模块用于非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；水印嵌入模块用于依据人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

上述数字图像水印嵌入系统，优选所述水印生成模块进一步包括：频域信息修改单元、收敛的物函数获取模块和量化单元。其中，频域信息修改单元用于在表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使所述像函数平面的幅度谱为常数，保留的 所述像函数的相位谱，获取修改后的频域信息；收敛的物函数获取模块用于对所述修改后的频域信息进行RFrFT的逆变换，得到空间域信息；确定收敛条件，比较所述空间域信息中的数据与原始水印图像的信息，判断是否收敛：若收敛，则确定所述空间于信息为满足收敛条件的物函数；若不收敛，则令所述空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅，然后，再进行RFrFT变换，获取新空间域信息；如此迭代循环，直至与原始水印图像的信息进行比较时，新空间域信息中数据的振幅满足收敛条件，此时确定新空间域信息为满足收敛条件的物函数；量化单元用于获取满足收敛条件的物函数对应的相位谱函数，将所述相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，所述灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

上述数字图像水印嵌入系统，优选所述水印嵌入模块进一步包括：划分单元、系数块划分及系数选择单元、嵌入单元和逆离散小波变换单元。其中，划分单元用于对载体图像进行二级小波分解，获取包括LH2、HL2、LH1和HL1的四个子带；系数块划分及系数选择单元用于在每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在所述3×3的块中心块嵌入水印信息，所述中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值；嵌入单元用于基于所述系数块划分及系数选择步骤获取的结果，通过迭代算法，将所述原始水印图像加密后的相息图嵌入子带的中心块中，获得修改后图像的小波系数，所述修改后的小波系数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.,$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为所述3×3的块中，中心块所对应的中心点的小波系数值，A_i为所述3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心块所对应的中心点的小波系数值，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200；逆离散小波变换单元用于对所述修改后图像的小波系数进行逆离散小波变换，得到嵌入水印后的图像。

另一方面，本发明还公开了一种与基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统对应的水印提取系统，包括系数块提取模块、水印像素点值确定模块、组合模块和再现模块。其中，系数块提取模块用于对所述嵌入水印后的图像进行小波分解，提取系数块；水印像素点值确定模块用于依据 

计算所述提取的系数块嵌入的水印值，获取水印像素点值K′_i；组合模块用于对提取的水印像素点值K′_i进行重新组合，得到了提取出的相息水印K′(u，v)，u和v分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值；再现模块用于提取出来的相息水印K′(u，v)作为e的相位，进行RFrFT逆变换，获取再现的原始水印图像。

上述数字图像水印提取系统，优选所述再现模块中，依据如下公式获取再现的原始水印图像：

其中，W′(x，y)为所述再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为为RFrFT的分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)使用数据量较小的相息图作为水印，相息图作为全息图的一种，减小了水印嵌入的数据量的同时，还保持了良好的抗剪裁特性。

(2)采用非级联相位恢复算法，并结合随机分数傅里叶变化制作加密的相息水印，增强了水印的安全性。

(3)基于HVS模型，将相息水印嵌入到相应的离散小波域系数中，保证了水印的不可见性，减小对原始数字图像的影响。

(4)采用自适应嵌入算法，在提取水印图像时不需要原始图像信息，实现了盲水印。

(5)对各种攻击，如噪声、压缩、剪裁、滤波等具有良好的鲁棒性。

附图说明

图1为现有技术中，水印嵌入方法的流程图；

图2为现有技术中，水印提取方法的流程图；

图3为本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法实施例的步骤流程图；

图4为本发明中，基于随机分数傅里叶变换的相息图制作系统示意图；

图5为本发明中，通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换示意图；

图6为本发明中，水印嵌入步骤中小波域嵌入及系数块划分示意图；

图7为本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统实施例的结构框图；

图8为本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统实施例中，水印生成模块的结构框图；

图9为本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统实施例中，水印嵌入模块的结构框图；

图10为本发明基于加密相息图的数字图像水印提取系统实施例的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明基于对相息图再现质量和安全性能的考虑，在现有技术的基础上，对传统相息图的计算机制作方法进行了改进，即采用随机分数傅里叶变换和非级联结构迭代相位恢复方法，完全记录物光波的相位和振幅信息，以同时增强相息图信息容量和安全性能。

基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法实施例

参照图3，图3为本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法实施例的步骤流程图，包括如下两个步骤：水印生成步骤S310，通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图。水印嵌入步骤S320，基于人类视觉系统模型(HVS)，将加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

下面结合图4和图5，对加密相息图水印生成步骤S310进行详细的说明。

参照图4，图4为用于制作加密相息图水印的系统示意图。该制作系统中，包括输入平面41、透镜42和输出平面43，原始图像经输入平面41和通过随机相位模44后，到达透镜42，经过RFrFT的密钥加密后，进行RFrFT变换到达输出平面43，获取幅度谱45和相位谱46，从而得到相息图。该发明中，物理上用的所有的参数都是软件算法中得到的最佳或者说最终的参数值。因为软件算法中需要迭代循环才能找到最佳的值。

参照图5，图5为通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(random fractional Fourier transform，简称RFrFT)对原始水印图像进行变换的示意图。进一步说，在实现时，可以包括如下三个步骤：

步骤1)、在用于表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使所述像函数平面的幅度谱为常数，保留的所述像函数的相位谱，获取修改后的频域信息。

步骤2)、对所述修改后的频域信息进行RFrFT逆变换，得到表示空间域信息的新物函数；确定收敛条件，比较空间域信息中的数 据与原始水印图像的信息，判断是否收敛，若不收敛，则令所述空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅，然后，再与原始水印图像的信息进行比较，判读收敛与否；如此迭代循环，直到新物函数的幅度满足收敛条件。

步骤3)、获取满足收敛条件的物函数对应的相位谱函数，将所述相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，所述灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

下面结合图6，对上述水印嵌入步骤S320进行详细说明。

目前，在数字水印中应用全息图以及双随机相位编码等光学加密技术，大多数都采用将灰度加密图像直接嵌入到载体图像的空间域中的嵌入的方法。众所周知，虽然空间域水印嵌入实现简单，但是抗攻击的鲁棒性较差。同时，相息图作为灰度水印，相比普遍采用的伪随机序列水印、二进制水印等，具有更大的信息量。在保证鲁棒性的同时，会很大程度上影响载体图像的视觉效果。

因此，为了充分利用相息图灰度水印的优点，本本发明在实施例中提出了一种小波域计算相息水印方法，结合HVS(人类视觉系统)特性，自适应的调整相息水印的嵌入，以同时满足水印的不可感知性和鲁棒性。

(1)小波域系数的选择

二维图像的小波分解能把一个图像进行多级分解。例如，将图像一级分解成低频子带(LL)，高频子带(HH)和中频子带(HL和LH)。为了保证嵌入水印的抗攻击能力和水印图像的不可见性，在实施中，对载体图像进行二级小波分解，选择在LH2、HL2、LH1和HL1四个子带中嵌入水印信息，如图6所示。同时，基于HVS 模型，计算小波系数允许的最大修改权值，以保证对小波系数修改后仍满足较好的视觉不可见性。

(2)为了便于实现盲水印提取，即提取时不需要原始载体图像的信息，在上述已选择的子带中，实施时，在上述每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在3×3的块中心块嵌入水印信息，中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值。由于数值大的系数能够容纳更多的嵌入信息，对攻击具有更强的鲁棒性；因此，在这些3×3小块中选择中心系数最大的N块(N根据水印的尺寸决定)来嵌入水印信息。关于3×3块选择的问题，重叠的小块和非重叠的小块亦可；但是，非重叠的小块能嵌入更多的信息量。

(3)水印自适应嵌入算法

一般而言，多数水印嵌入算法采用加性或者乘性的方法对载体图像相应的系数进行修改来嵌入水印信息。设载体图像系数为C_i，待嵌入水印值为K_i，水印嵌入强度为γ_i，则修改后的水印系数值为：

本发明在具体实施时，结合HVS模型，采用一种具有自适应特性的盲水印方法。

基于小波系数块划分及选择的结果，对系数块i，系数修改强度为β_i，嵌入强度迭代步长为Δ，中心点系数值为C_i，其余8个系数的均值为A_i的小块的中心点嵌入归一化后的灰度相息水印值大小为K_i(0≤K_i≤1)的水印，水印的嵌入强度为γ_i。其中，β_i根据Pixel-Mask模型计算得到，该模型具体记载在【Barni，M.，Bartolini，F.，Piva，A.，“Improved wavelet-based watermarking through pixel-wise masking，”IEEETransactions on Image Processing，May 2001，Vol.10，No.5，pp.783-791】的文献中。

通过迭代算法，使得到修改后的系数值满足

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为3×3的块中，中心块所对应的中心点的系数值，A_i为3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心点的系数，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200。

并且，β_i控制嵌入水印后图像的峰值信噪比PSNR(β_i越小，水印的不可感知性越好)。保存所有m_i的值为水印提取的密钥。γ_i的大小影响水印对压缩、噪声等攻击的鲁棒性，γ_i越大，水印的鲁棒性越好，但同时嵌入过程中也需要更多的迭代次数，使系数修改量满足要求。在采用更大水印嵌入强度γ_i的同时，为了减少算法的迭代次数m_i，可以选择中心系数本身比较大，而且与周围系数均值相差大的系数块。

(4)将相息水印的每个像素值嵌入到相应的小波系数块中之后，对修改后的小波系数进行逆离散小波变换，即完成了水印的嵌入，得到嵌入水印后的图像。

基于加密相息图的数字图像水印提取方法实施例

按照上述对水印嵌入的描述，对嵌入了水印的载体图像进行相应的小波分解，并提取系数块。对系数块的中心点，由水印的嵌入过程可知，中心点系数满足|C_i|＝|A_i|+γ_i·K_i-m_i·Δ。结合嵌入水印时的密钥M(由m_i组成)，提取的水印值为：

$K_i^{\′}=\frac{\left|C_i\right|-\left|A_i\right|+m_i\·\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\γ}}_i}$

对提取的水印像素点值进行重新组合，即得到了提取出的相息水印值K′(u，v)。

根据相息图的生成流程，通过正确的相息图再现密钥(分数阶α和相位密钥P)，根据下式即可再现原始水印图像：

其中，W′(x，y)为再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为相息图再现密钥分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥，-α为

基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统

下面，参照图7、图8和图9具体介绍本发明基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统的一个优选实施例。

参照图7，图7为基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统实施例的结构框图，包括水印生成模块72和水印嵌入模块74。其中，水印生成模块72用于非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；水印嵌入模块74用于依据人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

参照图8，图8是水印生成模块的结构框图，包括频域信息修改单元721、收敛的物函数获取单元722和量化单元723。

其中，频域信息修改单元721，用于在表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使像函数平面的幅度谱为常数，保留的像函数的相位谱，获取修改后的频域信息。收敛的物函数获取单元722，用于对修改后的频域信息进行逆RFrFT变换，得到表示空间域信息的新物函数；确定收敛条件，比较空间域信息 中的数据与原始水印图像的信息，判断是否收敛，若不收敛，则令空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅；然后，再与原始水印图像的信息进行比较，判读收敛与否；如此迭代循环，直到新物函数的幅度满足收敛条件。量化单元723用于获取满足收敛条件的物函数对应的相位谱函数，将相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

参照图9，水印嵌入模块的结构框图，包括划分单元741、系数块划分及系数选择单元742、嵌入单元743和逆离散小波变换单元744。其中，划分单元741，用于对载体图像进行二级小波分解，获取包括LH2、HL2、LH1和HL1的四个子带；系数块划分及系数选择单元742，用于在每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在3×3的块中心块嵌入水印信息，中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值；嵌入单元743，用于基于系数块划分及系数选择步骤获取的结果，通过迭代算法，将原始水印图像加密后的相息图嵌入子带的中心块中，获得修改后图像的小波系数，修改后的小波系数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.,$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为3×3的块中，中心块所对应的中心点的系数值，A_i为3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心点的系数，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200。其中，β_i根据Pixel-Mask模型计算得到，该模型具体记载在【Barni，M.，Bartolini，F.，Piva，A.，“Improved wavelet-based watermarking through pixel-wise masking，”IEEE Transactions on  Image Processing，May 2001，Vol.10，No.5，pp.783-791】的文献中。逆离散小波变换单元744用于对修改后图像的小波系数进行逆离散小波变换，得到嵌入水印后的图像。

基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统与基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法原理相同，相关之处相互参照即可，本发明在此不再赘述。

基于加密相息图的数字图像水印提取系统实施例

参照图10，图10为本发明基于加密相息图的数字图像水印提取系统实施例的结构框图，包括系数块提取模块1001、水印像素点值确定模块1002、组合模块1003和再现模块1004。其中，系数块提取模块1001，用于对所述嵌入水印后的图像进行小波分解，提取系数块；水印像素点值确定模块1002，用于依据

$K_i^{\′}=\frac{\left|C_i\right|-\left|A_i\right|+m_i\·\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\γ}}_i}$

计算所述提取的系数块嵌入的水印值，获取水印像素点值K′_i；组合模块1003用于对提取的水印像素点值K′_i进行重新组合，得到了提取出的相息水印K′(u，v)，u和v分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值；再现模块1004用于提取出来的相息水印K′(u，v)作为e的相位，进行逆RFrFT变换，获取再现的原始水印图像。

再现模块1004中，依据如下公式获取再现的原始水印图像：

其中，W′(x，y)为所述再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为为RFrFT的分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥。

需要说明的是，基于加密相息图的数字图像水印提取系统与提取方法原理相同，相关之处相互参照即可，本发明在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入、提取方法及其系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，包括如下步骤：

水印生成步骤，通过非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；

水印嵌入步骤，基于人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

2.根据权利要求1所述的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，所述水印生成步骤进一步为：

频域信息修改步骤，在用于表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使所述像函数平面的幅度谱为常数，保留的所述像函数的相位谱，获取修改后的频域信息；

收敛的物函数获取步骤，对所述修改后的频域信息进行RFrFT的逆变换，得到空间域信息；确定收敛条件，比较所述空间域信息中的数据与原始水印图像的信息，判断是否收敛；

若收敛，则所述空间于信息为满足收敛条件的物函数；

若不收敛，则令所述空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅，然后，再进行RFrFT变换，获取新空间域信息；如此迭代循环，直至与原始水印图像的信息进行比较时，新空间域信息中数据的振幅满足收敛条件，此时新空间域信息为满足收敛条件的物函数；

量化步骤，获取所述满足收敛条件的物函数所对应的相位谱函数，将所述相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，所述灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

3.根据权利要求2所述的数字图像水印嵌入方法，其特征在于，所述水印嵌入步骤进一步为：

划分步骤，对载体图像进行二级小波分解，获取包括LH2、HL2、LH1和HL1的四个子带；

系数块划分及系数选择步骤，在每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在所述3×3的块中心块嵌入水印信息，所述中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值；

嵌入步骤，基于所述系数块划分及系数选择步骤获取的结果，通过迭代算法，将所述原始水印图像加密后的相息图嵌入子带的中心块中，获得修改后图像的小波系数，所述修改后的小波系数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.,$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为所述3×3的块中，中心块所对应的中心点的小波系数值，A_i为所述3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心块所对应的中心点的小波系数值，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200；

逆离散小波变换步骤，对所述修改后图像的小波系数进行逆离散小波变换，得到嵌入水印后的图像。

4.一种与权利要求3所述的基于加密相息图的数字图像水印嵌入方法对应的水印提取方法，其特征在于，所述水印提取方法包括如下步骤：

系数块提取步骤，对所述嵌入水印后的图像进行小波分解，提取系数块；

水印像素点值确定步骤，依据

$K_i^{\′}=\frac{\left|C_i\right|-\left|A_i\right|+m_i\·\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\γ}}_i}$

计算所述提取的系数块所嵌入的水印值，提取该水印值作为像素点值K′_i；

组合步骤，对提取的所述像素点值K′_i进行重新组合，提取相息水印函数K′(u，v)，u和v分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值；

再现步骤，提取出来的相息水印K′(u，v)作为e的相位，进行RFrFT逆变换，获取再现的原始水印图像。

5.根据权利要求4所述的数字图像水印提取方法，其特征在于，所述再现步骤中，依据如下公式获取再现的原始水印图像：

其中，W′(x，y)为所述再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为为RFrFT的分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥。

6.一种基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，包括：

水印生成模块，用于非级联相位恢复和随机分数傅里叶变换(RFrFT)对原始水印图像进行变换，获取原始水印图像加密后的相息图；

水印嵌入模块，用于依据人类视觉系统模型(HVS)，将所述加密后的相息图自适应地嵌入至载体图像中。

7.根据权利要求6所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述水印生成模块进一步包括：

频域信息修改单元，用于在表示原始水印图像相位信息的像函数平面中加入幅度限制条件，使所述像函数平面的幅度谱为常数，保留的所述像函数的相位谱，获取修改后的频域信息；

收敛的物函数获取模块，用于对所述修改后的频域信息进行RFrFT的逆变换，得到空间域信息；确定收敛条件，比较所述空间域信息中的数据与原始水印图像的信息，判断是否收敛：

若收敛，则确定所述空间于信息为满足收敛条件的物函数；

若不收敛，则令所述空间域信息中数据的振幅等于原始水印图像的振幅，然后，再进行RFrFT变换，获取新空间域信息；如此迭代循环，直至与原始水印图像的信息进行比较时，新空间域信息中数据的振幅满足收敛条件，此时确定新空间域信息为满足收敛条件的物函数；

量化单元，用于获取满足收敛条件的物函数对应的相位谱函数，将所述相位谱函数进行量化，保存为灰度图像，所述灰度图像即为原始水印图像加密后的相息图。

8.根据权利要求7所述的数字图像水印嵌入系统，其特征在于，所述水印嵌入模块进一步包括：

划分单元，用于对载体图像进行二级小波分解，获取包括LH2、HL2、LH1和HL1的四个子带；

系数块划分及系数选择单元，用于在每一个子带中，以每个子带的偶数行和偶数列的交叉为中心点，将每一子带划分成3×3的块，在所述3×3的块中心块嵌入水印信息，所述中心块周围的8个块作为水印嵌入和提取的参考值；

嵌入单元，用于基于所述系数块划分及系数选择步骤获取的结果，通过迭代算法，将所述原始水印图像加密后的相息图嵌入子带的中心块中，获得修改后图像的小波系数，所述修改后的小波系数满足：

$\left\{\begin{array}{c}\left|C_i^{\′}\right|=\left|A_i\right|+{\mathrm{\γ}}_i\·K_i-m_i\·\mathrm{\Δ}\\ |C_i^{\′}-C_i|\≤{\mathrm{\β}}_i\·\left|C_i\right|\\ C_i^{\′}\·C_i>0\end{array}\right.,$

其中，i为系数块的编号，β_i为基于HVS模型所计算的小波系数允许的最大修改权值，C_i为所述3×3的块中，中心块所对应的中心点的小波系数值，A_i为所述3×3的块中，中心块周围8个块系数的均值，C′_i为嵌入水印后，修改的中心块所对应的中心点的小波系数值，γ_i为水印的嵌入强度，Δ为嵌入强度的迭代步长，K_i为归一化的灰度相息水印值，且0≤K_i≤1，m_i为迭代次数，m_i为自然数且m_i＞200；

逆离散小波变换单元，用于对所述修改后图像的小波系数进行逆离散小波变换，得到嵌入水印后的图像。

9.一种与权利要求8所述的基于加密相息图的数字图像水印嵌入系统对应的水印提取系统，其特征在于，包括：

系数块提取模块，用于对所述嵌入水印后的图像进行小波分解，提取系数块；

水印像素点值确定模块，用于依据

$K_i^{\′}=\frac{\left|C_i\right|-\left|A_i\right|+m_i\·\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{\γ}}_i}$

计算所述提取的系数块嵌入的水印值，获取水印像素点值K′_i；

组合模块，用于对提取的水印像素点值K′_i进行重新组合，得到了提取出的相息水印K′(u，v)，u和v分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值；

再现模块，用于提取出来的相息水印K′(u，v)作为e的相位，进行RFrFT逆变换，获取再现的原始水印图像。

10.根据权利要求9所述的数字图像水印提取系统，其特征在于，所述再现模块中，依据如下公式获取再现的原始水印图像：

其中，W′(x，y)为所述再现原始水印图像，其中，x和y分别代表直角坐标系中横坐标和纵坐标的像素值，α为为RFrFT的分数阶，P为相位密钥，P^*为相位解密密钥。

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